[发明专利]一种用于半导体纳米线生长的缓冲层制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体纳米线的生长方法，可用于制备纳米线器件。

背景技术

纳米技术被认为是21世纪的三大科学技术之一。其中，半导体纳米线由于其独特的一维量子结构，被认为是未来微纳器件的基本结构[Mater.Today，9(2006)18-27]。近年来，半导体纳米线的研究工作取得很大进展，其应用领域包括集成电路[Nature，470(2011)240-244]、晶体管[Nano Letters，8(2008)925-930]、激光器[Science，292(2001)1897-1899]、生物传感器[Analytical Chemistry，83(2011)1938-1943]、以及太阳能电池[Nano Lett.，10(2010)1082-1087]等。

尽管半导体纳米线具有很重要的应用前景，但是纳米线器件的实用化和产业化还亟需解决一系列问题，其中的关键问题之一是纳米线的可控生长，即如何在衬底上生长垂直排列、高密度、以及高晶体质量的半导体纳米线。纳米线的生长方向和晶体质量通常取决于衬底材料的晶体特性和表面状况。研究表明：纳米线与衬底之间的晶格失配会导致纳米线无序生长[Appl.Phys.Lett.，90(2007)043115]；用于引导纳米线生长的催化剂与衬底表面发生共溶，导致催化剂扩散到衬底内部，降低纳米线的生长质量[Nano Lett.，8(2008)4087]。

为此，人们采用了缓冲层技术(即在衬底表面预先生长晶体薄膜作为缓冲层，接着生长纳米线)，由于缓冲层可以改变衬底表面的特性，还可以将衬底的晶格常数过渡到纳米线的晶格常数，因此引入缓冲层大幅改善了纳米线的生长质量[Nano Lett.，10(2010)64-68]。

但是，在衬底表面生长晶体薄膜作为缓冲层，需要采用半导体外延生长技术，如金属有机物化学气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等，生长设备昂贵、工艺复杂。因此，研发简易的晶体薄膜制备方法，实现高质量的半导体纳米线生长，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明旨在解决半导体纳米线的可控生长问题，提出了“一种用于半导体纳米线生长的缓冲层制备方法”；本发明通过在衬底上镀金属薄膜，接着利用退火工艺并通入反应气体，使得金属薄膜转变为半导体晶体薄膜，该晶体薄膜可作为缓冲层用于生长高质量的半导体纳米线。本发明具有工艺简单以及低成本的特点。

发明人对半导体纳米线的生长工艺有着深入的研究[Nano Lett.，10(2010)64]，从而启发了本发明的产生。本发明可以按以下方式实现：

首先，在衬底表面镀金属薄膜(图1所示)；

接着，将带有金属薄膜的衬底，置于退火炉中、并通入反应气体。在一定的温度下，该气体会与金属薄膜反应生成半导体晶体薄膜(图2所示)；

然后，在覆盖了半导体晶体薄膜的衬底上，生长纳米线(图3所示)；其中该薄膜作为缓冲层，可以提高纳米线的生长质量(如生长方向垂直有序、以及降低晶体缺陷等)

本发明中在衬底上镀金属薄膜，可以采用蒸发、溅射或涂覆的办法。

本发明中的金属薄膜，可以是单种材料或是合金材料。

本发明中的金属薄膜，可以是由两种或两种以上的材料构成的多层结构(图4所示)。

本发明中的衬底，优选自硅、GaAs、InP、SiC和Al₂O₃晶体。

本发明中的金属薄膜材料，优选自Ti、Al、Ga、In和B。

本发明中的反应气体，优选自NH₃、PH₃、AsH₃和O₂。

本发明中的纳米线材料，优选自GaAs、InP、GaN、InGaAs、InGaN和AlGaN。

附图说明

附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。

图1在衬底表面镀了金属薄膜。

图2衬底表面的半导体晶体薄膜。

图3在具有晶体薄的衬底上生长纳米线。

图4在衬底表面镀了具有多层结构的金属薄膜。

具体实施方式

为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

例1

首先，在硅衬底表面蒸发一层铝薄膜(图1)；